Una junta tórica , también conocida como empaquetadura o junta tórica , es una junta mecánica con forma de toro ; Se trata de un bucle de elastómero de sección redonda , diseñado para asentarse en una ranura y comprimirse durante el montaje entre dos o más piezas, formando un sello en la interfaz.
La junta tórica se puede utilizar en aplicaciones estáticas o dinámicas donde hay movimiento relativo entre las piezas y la junta tórica. Los ejemplos dinámicos incluyen ejes de bombas giratorios y pistones de cilindros hidráulicos . Las aplicaciones estáticas de juntas tóricas pueden incluir aplicaciones de sellado de fluidos o gases en las que: (1) la junta tórica se comprime dando como resultado un espacio libre cero, (2) el material de la junta tórica está vulcanizado en estado sólido de manera que es impermeable al fluido o gas, y (3) el material de la junta tórica es resistente a la degradación por el fluido o gas. [1] La amplia gama de líquidos y gases potenciales que deben sellarse ha requerido el desarrollo de una amplia gama de materiales para juntas tóricas. [2]
Las juntas tóricas son uno de los sellos más comunes utilizados en el diseño de máquinas porque son económicas, fáciles de fabricar, confiables y tienen requisitos de montaje simples. Han sido probados para sellar hasta 5000 psi (34 MPa ) de presión. [3] La presión máxima recomendada de una junta tórica depende de la dureza del sello, el material, el diámetro de la sección transversal y el juego radial. [4]
Las juntas tóricas se pueden producir mediante extrusión , moldeo por inyección , moldeo por presión o moldeo por transferencia . [5]
La primera patente para la junta tórica data del 12 de mayo de 1896, como patente sueca. JO Lundberg, el inventor de la junta tórica, recibió la patente. [6] La patente estadounidense [7] [8] para la junta tórica fue presentada en 1937 por un maquinista danés de 72 años , Niels Christensen . [9] En su solicitud presentada anteriormente en 1933, que resultó en la patente 2115383, [10] comienza diciendo: "Esta invención se refiere a mejoras nuevas y útiles en los frenos hidráulicos y, más particularmente, a un sello mejorado para los pistones de los cilindros transportadores de potencia. ". Describe "un anillo de sección circular ... hecho de caucho sólido o de una composición de caucho", y explica, "este deslizamiento o rodamiento parcial del anillo ... amasa o trabaja el material del anillo para mantenerlo vivo y flexible sin efectos nocivos". Efectos de raspado que son causados por el deslizamiento puramente estático del caucho sobre una superficie. Mediante esta ligera acción de giro o amasado, se prolonga la vida útil del anillo. Su solicitud presentada en 1937 dice que "es una continuación en parte de mi solicitud pendiente con el número de serie 704.463 para frenos hidráulicos, presentada el 29 de diciembre de 1933, ahora patente estadounidense número 2.115.383 concedida el 26 de abril de 1938".
Poco después de emigrar a los Estados Unidos en 1891, patentó un sistema de frenos de aire para tranvías . A pesar de sus esfuerzos legales, las patentes fueron pasando de empresa en empresa hasta terminar en Westinghouse . [9] Durante la Segunda Guerra Mundial , el gobierno de EE. UU. se apoderó de la patente de la junta tórica como un elemento crítico relacionado con la guerra y otorgó el derecho de fabricación a otras organizaciones. Christensen recibió un pago global de 75.000 dólares estadounidenses por sus esfuerzos. El litigio resultó en un pago de 100.000 dólares a sus herederos en 1971, 19 años después de su muerte. [9]
Las juntas tóricas están disponibles en varios tamaños estándar métricos y en pulgadas. Los tamaños se especifican por el diámetro interior y el diámetro de la sección transversal (espesor). En los EE. UU., los tamaños en pulgadas estándar más comunes son los que cumplen con la especificación SAE AS568C (por ejemplo, AS568-214). ISO 3601-1:2012 contiene los tamaños estándar más utilizados, tanto en pulgadas como en sistema métrico, en todo el mundo. El Reino Unido también tiene tamaños estándar conocidos como tamaños BS, que normalmente van desde BS001 a BS932. También existen otras especificaciones de tamaño.
El diseño exitoso de una junta tórica requiere un montaje mecánico rígido que aplique una deformación predecible a la junta tórica. Esto introduce una tensión mecánica calculada en las superficies de contacto de la junta tórica. Siempre que la presión del fluido contenido no exceda la tensión de contacto de la junta tórica, no se pueden producir fugas. La presión del fluido contenido se transfiere a través del material de la junta tórica esencialmente incompresible y la tensión de contacto aumenta al aumentar la presión. Por esta razón, una junta tórica puede sellar fácilmente alta presión siempre que no falle mecánicamente. La falla más común es la extrusión a través de las piezas acopladas.
El sello está diseñado para tener un punto de contacto entre la junta tórica y las caras de sellado. Esto permite una tensión local elevada, capaz de contener una presión elevada, sin exceder el límite elástico del cuerpo de la junta tórica. La naturaleza flexible de los materiales de las juntas tóricas se adapta a las imperfecciones en las piezas de montaje. Pero sigue siendo importante mantener un buen acabado superficial de esas piezas acopladas, especialmente a bajas temperaturas donde el caucho del sello alcanza su temperatura de transición vítrea y se vuelve cada vez más inflexible y vítreo. El acabado superficial también es especialmente importante en aplicaciones dinámicas. Un acabado superficial demasiado rugoso desgastará la superficie de la junta tórica y una superficie demasiado lisa no permitirá que el sello se lubrique adecuadamente mediante una película de fluido.
En aplicaciones de vacío , la permeabilidad del material inutiliza los contactos puntuales. En su lugar, se utilizan fuerzas de montaje más altas y el anillo llena toda la ranura. Además, se utilizan anillos de respaldo redondos para evitar que el anillo se deforme excesivamente. [12] [13] [14] Debido a que el anillo está sujeto a la presión ambiental y a la presión parcial de los gases solo en el sello, sus gradientes serán pronunciados cerca del sello y poco profundos en el conjunto (opuesto al gradiente del contacto). tensión [15] ( Ver Brida de vacío#KF.2FQF ) . Los sistemas de alto vacío por debajo de 10 −9 Torr usan juntas tóricas de cobre o níquel . Además, los sistemas de vacío que deben sumergirse en nitrógeno líquido usan juntas tóricas de indio , porque. El caucho se vuelve duro y quebradizo a bajas temperaturas.
En algunas aplicaciones de alta temperatura, es posible que sea necesario montar las juntas tóricas en un estado comprimido tangencialmente para compensar el efecto Gow-Joule .
Las juntas tóricas vienen en una variedad de tamaños. La norma aeroespacial 568 (AS568) de la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) [16] especifica los diámetros interiores, las secciones transversales, las tolerancias y los códigos de identificación de tamaño (números de guiones) para las juntas tóricas utilizadas en aplicaciones de sellado y para el conector de tubo de rosca recta. juntas. Estándar británico (BS), que son tamaños imperiales o tamaños métricos. Las dimensiones típicas de una junta tórica son la dimensión interna (id), la dimensión exterior (od) y el espesor/sección transversal (cs).
Las juntas tóricas métricas generalmente se definen por la dimensión interna x la sección transversal. Número de pieza típico para una junta tórica métrica: ID x CS [material y dureza Shore ] 2x1N70 = define esta junta tórica como 2 mm de diámetro interior con una sección transversal de 1 mm hecha de caucho de nitrilo que es 70 Sh. Las juntas tóricas BS están definidas por una referencia estándar.
La junta tórica más grande del mundo fue producida en un exitoso intento de récord mundial Guinness por parte de Trelleborg Sealing Solutions Tewkesbury en asociación con un grupo de 20 estudiantes de la escuela de Tewkesbury. La junta tórica, una vez terminada y colocada alrededor de la abadía medieval de Tewkesbury, tenía una circunferencia de 364 m (1194 pies), un diámetro interior de aproximadamente 116 m (381 pies) y una sección transversal de 7,2 mm (0,28 pulgadas). [17]
La selección de juntas tóricas se basa en la compatibilidad química, la temperatura de aplicación, la presión de sellado, los requisitos de lubricación , el durómetro , el tamaño y el costo. [18]
Cauchos sintéticos - Termoestables :
Compatibilidad química:
[20]
Aunque originalmente la junta tórica recibió ese nombre debido a su sección transversal circular, ahora existen variaciones en el diseño de la sección transversal. La forma puede tener diferentes perfiles, como un perfil en forma de X, comúnmente llamado X-ring, Q-ring o con el nombre comercial Quad Ring. Cuando se aprietan durante la instalación, se sellan con 4 superficies de contacto: 2 superficies de contacto pequeñas en la parte superior e inferior. [21] Esto contrasta con las superficies de contacto únicas superior e inferior comparativamente más grandes de la junta tórica estándar. Las juntas tóricas se utilizan con mayor frecuencia en aplicaciones alternativas, donde proporcionan una fricción de funcionamiento y de rotura reducida y un riesgo reducido de formación de espirales en comparación con las juntas tóricas.
También existen anillos con perfil cuadrado, comúnmente llamados anillos de corte cuadrado, corte de torno, corte tabular o anillos cuadrados. Cuando las juntas tóricas se vendían a un precio elevado debido a su novedad, la falta de procesos de fabricación eficientes y el alto contenido de mano de obra, se introdujeron los anillos cuadrados como un sustituto económico de las juntas tóricas. El anillo cuadrado normalmente se fabrica moldeando un manguito de elastómero que luego se corta con torno. Este estilo de sello a veces es menos costoso de fabricar con ciertos materiales y tecnologías de moldeo ( moldeo por compresión , moldeo por transferencia , moldeo por inyección ), especialmente en volúmenes bajos. El rendimiento de sellado físico de los anillos cuadrados en aplicaciones estáticas es superior al de las juntas tóricas, sin embargo, en aplicaciones dinámicas es inferior al de las juntas tóricas. Los anillos cuadrados generalmente se usan solo en aplicaciones dinámicas como energizadores en conjuntos de sellos de tapa. Los anillos cuadrados también pueden ser más difíciles de instalar que las juntas tóricas.
Los dispositivos similares con secciones transversales no redondas se denominan sellos , empaquetaduras o juntas. Ver también lavadoras . [22]
Las culatas de los automóviles suelen estar selladas con juntas planas recubiertas de cobre.
Los bordes de las cuchillas prensados en juntas de cobre se utilizan para alto vacío.
Como sellos se utilizan elastómeros o metales blandos que se solidifican en el lugar.
Los materiales de las juntas tóricas pueden estar sujetos a temperaturas altas o bajas, ataques químicos, vibraciones, abrasión y movimiento. Los elastómeros se seleccionan según la situación.
Hay materiales para juntas tóricas que pueden tolerar temperaturas tan bajas como -330 °F (-200 °C) o tan altas como 480 °F (250 °C). En el extremo inferior, casi todos los materiales de ingeniería se vuelven rígidos y no logran sellar; en el extremo superior, los materiales a menudo se queman o se descomponen. El ataque químico puede degradar el material, provocar grietas quebradizas o hacer que se hinche. Por ejemplo, las juntas de NBR pueden agrietarse cuando se exponen al gas ozono en concentraciones muy bajas, a menos que estén protegidas. La hinchazón por contacto con un fluido de baja viscosidad provoca un aumento de las dimensiones y también reduce la resistencia a la tracción del caucho. Otras fallas pueden deberse al uso de un tamaño de anillo incorrecto para un hueco específico, lo que puede provocar la extrusión del caucho.
Los elastómeros son sensibles a las radiaciones ionizantes. En aplicaciones típicas, las juntas tóricas están bien protegidas de la radiación menos penetrante, como los rayos ultravioleta y los rayos X suaves, pero la radiación más penetrante, como los neutrones, puede causar un rápido deterioro. En tales entornos, se utilizan sellos de metal blando.
Hay algunas razones comunes por las que falla la junta tórica:
Se determinó que la falla de una junta tórica fue la causa del desastre del transbordador espacial Challenger el 28 de enero de 1986. Un factor crucial fue el clima frío antes del lanzamiento. Esto lo demostró en televisión el profesor de física de Caltech Richard Feynman , cuando colocó una pequeña junta tórica en agua helada y posteriormente mostró su pérdida de flexibilidad ante un comité de investigación.
El material de la junta tórica defectuosa era FKM , especificado por el contratista del motor del transbordador, Morton-Thiokol . Cuando una junta tórica se enfría por debajo de su temperatura de transición vítrea Tg , pierde su elasticidad y se vuelve quebradiza. Más importante aún, cuando una junta tórica se enfría cerca (pero no más allá) de su Tg , la junta tórica fría, una vez comprimida, tardará más de lo normal en volver a su forma original. Las juntas tóricas (y todos los demás sellos) funcionan produciendo presión positiva contra una superficie, evitando así fugas. La noche anterior al lanzamiento se registraron temperaturas del aire extremadamente bajas. Debido a esto, técnicos de la NASA realizaron una inspección; la temperatura ambiente estaba dentro de los parámetros de lanzamiento y se permitió que continuara la secuencia de lanzamiento. Sin embargo, la temperatura de las juntas tóricas de goma se mantuvo significativamente más baja que la del aire circundante. Durante su investigación de las imágenes del lanzamiento, Feynman observó un pequeño evento de desgasificación del Solid Rocket Booster en la unión entre dos segmentos en los momentos inmediatamente anteriores al desastre. Esto se atribuyó a una falla en el sello de junta tórica. El gas a alta temperatura que se escapaba incidió en el tanque externo y, como resultado, todo el vehículo quedó destruido.
Desde el accidente, las empresas productoras de caucho han implementado cambios. Muchas juntas tóricas ahora vienen con codificación de lote y fecha de curación, como se hace en la producción de medicamentos, para rastrear y controlar con precisión la distribución. Para aplicaciones aeroespaciales y militares, las juntas tóricas suelen empaquetarse y etiquetarse individualmente con el material, la fecha de curado y la información del lote. Si es necesario, las juntas tóricas se pueden retirar del mercado. [23] Además, los fabricantes prueban rutinariamente por lotes las juntas tóricas y otros sellos para el control de calidad y, a menudo, el distribuidor y los usuarios finales finales los someten a pruebas de control de calidad varias veces más.
En cuanto a los propulsores en sí, la NASA y Morton-Thiokol los rediseñaron con un nuevo diseño de junta, que ahora incorporaba tres juntas tóricas en lugar de dos, y las juntas tenían calentadores a bordo que se pueden encender cuando las temperaturas caen por debajo de los 50 °F ( 10 ºC). No se han producido problemas con las juntas tóricas desde el Challenger y no influyeron en el desastre del transbordador espacial Columbia de 2003.
